Università degli Studi di Bologna – Scuola di Ingegneria e Architettura – Sede di Forlì PROGRAMMA del CORSO di DINAMICA DELLE MACCHINE E DEI SISTEMI MECCANICI LM (Componente del C.I. MECCANICA E DINAMICA DELLE MACCHINE LM) per allievi del Corso di Laurea Magistrale in INGEGNERIA MECCANICA Anno Accademico 2013-2014 prof. Alessandro RIVOLA Tel. 0543 374441 e-mail: [email protected] 1. Introduzione. Introduzione al corso. Richiami e definizioni: macchina; dinamica delle macchine; sistema meccanico; la modellazione; analisi e controllo. 2. Dinamica delle macchine e degli impianti. Richiami: analisi dinamica; azioni di inerzia; energia cinetica; principio di D’Alembert; principio dei lavori virtuali; equazione energetica; teorema di conservazione dell’energia meccanica; gradi di libertà; equazioni di Lagrange; riduzione di masse e forze. Il problema dinamico diretto; il problema dinamico inverso. Applicazioni: impianto di frenatura; scelta di un innesto a frizione; transitorio di avviamento di un ventilatore; calcolo del volano in un impianto funzionante a regime periodico. 3. Fondamenti di meccanica delle vibrazioni. Sistemi continui e discreti. Elementi elastici: molle lineari; molle nonlineari; calcolo di costanti elastiche. Elementi smorzanti: smorzatore viscoso; attrito coulombiano; smorzamento strutturale. Il moto armonico: richiami; rappresentazione vettoriale; rappresentazione con numeri complessi; lavoro compiuto in moti armonici. 4. Sistemi ad un grado di libertà. Vibrazioni libere: Il sistema molla-smorzatore; il sistema massa-smorzatore; il sistema massa-molla; il sistema massa-molla-smorzatore; piano delle fasi; metodo del decremento logaritmico; vibrazioni libere con attrito coulombiano; vibrazioni libere con smorzamento isteretico. Metodi energetici: introduzione al metodo di Rayleigh; applicazioni. Vibrazioni forzate: scrittura equazioni del moto; risposta all’eccitazione armonica (risonanza di ampiezza e di fase); funzione risposta in frequenza (FRF); metodo della banda di mezza potenza; eccitazione proporzionale al quadrato della frequenza; eccitazione armonica in risonanza; fenomeno del battimento; vibrazioni forzate con smorzamento strutturale; risposta all'impulso; risposta all'eccitazione generica. 5. Sistemi a due gradi di libertà. Equazioni del moto: scelta coordinate; accoppiamento statico e dinamico. Vibrazioni libere: equazione caratteristica; calcolo pulsazioni naturali; modi di vibrare; condizioni iniziali; moto rigido. Vibrazioni forzate: matrice impedenza; esempio; progetto di uno smorzatore dinamico. 6. Sistemi a molti gradi di libertà. Sistemi senza smorzamento: matrice massa e matrice rigidezza; autovalori e autovettori; ortogonalità dei modi; matrice modale; disaccoppiamento; moti rigidi. Sistemi smorzati: smorzamento proporzionale. Vibrazioni forzate: metodo modale e pseudo-modale. 7. Sistemi continui. Corda vibrante. Vibrazioni assiali di un'asta rettilinea. Condizione di ortogonalità delle forme modali. Vibrazioni torsionali delle travi. Vibrazioni flessionali delle travi. Metodi approssimati: Rayleigh e RayleighRitz. Vibrazioni forzate. 8. Misure di vibrazione e analisi modale. Componenti della catena di misura. Analisi nel dominio della frequenza; trasformata di Fourier; trasformata finita di Fourier; risoluzione spettrale; errore di dispersione (leakage). Il campionamento: teorema di Shannon; aliasing. Trasformata discreta di Fourier. Introduzione all’analisi modale sperimentale: funzione di trasferimento e Funzione Risposta in Frequenza (FRF); rilievo sperimentale della FRF; fondamenti analitici dell’analisi modale; estrazione delle forme modali (metodo ad un gdl); schema del procedimento. Autospettro. Spettro incrociato. Stimatori della FRF. Funzione coerenza. Prove sperimentali: misura di frequenze naturali; scelta dei parametri di acquisizione; eccitazione di una struttura con shaker elettrodinamico; eccitazione di una struttura con martello strumentato; rilievo sperimentale di FRF; osservazioni sulla funzione coerenza; estrazione dei parametri modali; animazione dei modi di vibrare. 9. Modellazione a parametri concentrati. Modelli a parametri concentrati di sistemi continui: modello di aereo; modello di autoveicolo; modello di una pressa. Modelli a parametri concentrati di meccanismi: il comportamento dinamico dei meccanismi; inerzie; rigidezze; azioni dissipative; giochi; attrito secco; rigidezza di contatto; schiacciamento del lubrificante; integrazione delle equazioni; la validazione; impiego del modello. Esempi: meccanismo per moto rettilineo alterno; distribuzione desmodromica; macchina di prova ingranaggi; meccanismo per moto rotatorio alterno; modello di una trasmissione meccanica con azionamento controllato. 10. Introduzione al metodo degli elementi finiti. Macintosh HD:Users:rivola:SkyDrive:DIDATTIC:FORLI:DinMacchSistMecc:Prog1314_Dinamica.doc Testi consigliati * Funaioli E. Maggiore A., Meneghetti U., Lezioni di Meccanica applicata alle macchine, Vol. II, ed. Pàtron, Bologna. * Rao S.S., Mechanical vibrations, Third edition, Addison Wesley Pub. Company, 1995. * D.J. Inman, Engineering Vibration, Prentice Hall, 1994. * Dispense redatte dal docente. * Materiale relativo alle Esercitazioni svolte durante il corso. Modalità di esame La prova d'esame è orale e verte su tutti gli argomenti svolti durante le lezioni e le esercitazioni. Al momento di sostenere l’esame, il candidato è tenuto a consegnare alla commissione esaminatrice alcuni esercizi svolti su un quaderno secondo le modalità specificate nel programma. Modalità di iscrizione all’esame Per ciascun appello d’esame i candidati devono iscriversi utilizzando esclusivamente il sito internet https://almaesami.unibo.it entro le ore 12 del giorno che precede l’appello. Programma, informazioni e altro materiale sono disponibili ai seguenti link: diem1.ing.unibo.it/mechmach/rivola.html www.unibo.it/docenti/alessandro.rivola Macintosh HD:Users:rivola:SkyDrive:DIDATTIC:FORLI:DinMacchSistMecc:Prog1314_Dinamica.doc Università degli Studi di Bologna – Scuola di Ingegneria e Architettura – Sede di Forlì ESERCITAZIONI del CORSO di DINAMICA DELLE MACCHINE E DEI SISTEMI MECCANICI LM (Componente del C.I. MECCANICA E DINAMICA DELLE MACCHINE LM) per allievi del Corso di Laurea Magistrale in INGEGNERIA MECCANICA Anno Accademico 2013-2014 prof. Alessandro RIVOLA Tel. 0543 374441 e-mail: [email protected] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Riduzione di forze e masse. Impianto di frenatura. Scelta di un innesto a frizione. Analisi del transitorio di un ventilatore. Calcolo del volano in un impianto funzionante in condizioni di regime periodico. Calcolo di costanti elastiche. Applicazione del metodo energetico. Frequenza propria di una colonna con serbatoio elevato. Applicazione del metodo energetico. Risposta di un sistema ad un gdl ad una eccitazione a gradino con rampa iniziale. Sistema a 2 gdl. Vibrazioni torsionali di un motore marino. Modifiche strutturali. Applicazione del metodo di Rayleigh ad un continuo. Definizione dei parametri di acquisizione. Vibrazioni flessionali con FEM. I1 I2 I3 I4 I5 I6 S1 MATALAB: zero di funzione. MATLAB: integrazione di equazioni differenziali (ODE). MATLAB: calcolo di autovalori e autovettori di una matrice. SIMULINK: integrazione di equazioni differenziali. SIMULINK: integrazione di equazioni differenziali non lineari: presenza del gioco. SIMULINK: modelli elementari di meccanismi. Esercitazione sperimentale. Misura di frequenze naturali. Scelta dei parametri di acquisizione. Eccitazione di una struttura con shaker elettrodinamico. Eccitazione di una struttura con martello strumentato. Rilievo sperimentale di FRF. Osservazioni sulla funzione coerenza. Estrazione dei parametri modali. Animazione dei modi di vibrare. (*) (*) (*) (*) (*) (*) (*) (*) (*) ESERCITAZIONI: Modalità di Esame Le esercitazioni riguardano complementi ed applicazioni degli argomenti del corso. Tutte le esercitazioni svolte ed elencate sono materia di esame. Alcune esercitazioni sono contraddistinte da un asterisco (*). Al momento di sostenere l’esame, l’allievo è tenuto a consegnare alla commissione esaminatrice tali esercizi, svolti secondo le seguenti modalità: 1. Gli esercizi devono venire eseguiti su fogli formato A4 o su un quaderno dello stesso formato. Sul quaderno - o su ciascuno dei fogli - devono essere chiaramente indicati cognome, nome e numero di matricola dell’allievo. 2. Non è ammesso scrivere a matita. 3. Lo svolgimento deve contenere: il testo e i dati dell’esercizio; l’elenco dei simboli con il relativo significato numerico; la traccia dello svolgimento; tutte le formule impiegate, scritte prima in forma letterale e poi con i valori numerici delle varie quantità; i risultati, con l’indicazione delle unità di misura; i grafici qualora richiesto. 4. Il sistema di unità di misura adottato è il Sistema Internazionale (SI). I testi sono disponibili in segreteria e seguendo i link: diem1.ing.unibo.it/mechmach/rivola.html o www.unibo.it/docenti/alessandro.rivola TABELLA di RIEPILOGO DEI RISULTATI Macintosh HD:Users:rivola:SkyDrive:DIDATTIC:FORLI:DinMacchSistMecc:Prog1314_Dinamica.doc EX 2 - IMPIANTO DI FRENATURA Somma ultime due cifre numero di Coppia frenante matricola Lavoro dissipato Tiro fune [Nm] [J] [N] EX 3 - TRANSITORIO DI AVVIAMENTO TRAMITE INNESTO A FRIZIONE Resto divisione per 4 del n. di matricola Vel. angolare a REGIME Coppia a REGIME Scelta innesto No. Istante di sincronismo ts Durata fase per il raggiungimento del regime Tr Durata totale del transitorio: T = Tc+Ts+Tr Lavoro dissipato in una operazione di innesto Massima frequenza ammissibile No. di inserzioni richiedenti la regolazione del tra ferro No. totale di inserzioni EX 4 - TRANSITORIO DI AVVIAMENTO DI UN VENTILATORE ultima cifra del numero di matricola Omega 1 segnato Omega di regime Istante t1 Istante TR (99% regime) 99% omega di regime [rad/s] [Nm] [s] [s] [s] [J] [Hz] [rad/s] [rad/s] [s] [s] [rad/s] EX 5 - DIMENSIONAMENTO DEL VOLANO ultime due cifre, u e v, del numero di matricola Vel. angolare minima Omega1 Vel. angolare massima Omega0 Momento di inerzia del volano Motore scelto No. Potenza [rad/s] [rad/s] [kgm2] [W] EX 8 - FREQUENZA PROPRIA FLESSIONALE DI UN SERBATOIO ELEVATO ultime due cifre, u e v, del numero di matricola u= v= Prima frequenza propria [Hz] EX 12 - VIBRAZIONI TORSIONALI DI UN MOTORE MARINO ultima cifra del numero di matricola v= Prima frequenza propria Seconda frequenza propria Rapporto r1=[Φ2/Θ1]1 Rapporto r2=[Φ2/Θ1]2 EX 13 – MODIFICHE STRUTTURALI ultime due cifre, u e v, del numero di matricola Prima frequenza propria Seconda frequenza propria Terza frequenza propria Seconda frequenza propria dopo le modifiche [Hz] [Hz] u= v= [rad/s] [rad/s] [rad/s] [rad/s] EX 15 – DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI ACQUISIZIONE ultime due cifre, u e v, del numero di matricola Frequenza di taglio del filtro passa basso (anti-aliasing) Frequenza di campionamento minima Il numero di punti da elaborare tenendo conto che si desidera utilizzare l’algoritmo FFT EX 16 – VIBRAZIONI FLESSIONALI CON FEM ultima cifra del numero di matricola Prima frequenza propria Seconda frequenza propria Primo Modo w3= w4= Secondo Modo w3= w4= u= v= [Hz] [Hz] v= w5= w5= Macintosh HD:Users:rivola:SkyDrive:DIDATTIC:FORLI:DinMacchSistMecc:Prog1314_Dinamica.doc [Hz] [Hz] w6= w6=